CN104237869A - 一种基于高光谱载荷的多光谱载荷无场地交叉定标方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于高光谱载荷的多光谱载荷无场地交叉定标方法，该方法利用具有高辐射定标精度的高光谱数据替代场地实测数据，实现了多光谱载荷的在轨替代定标，能够有效提高在轨辐射定标频次，节省大量场地定标所需的人力物力，解决了目前在轨辐射定标受限于场地实测数据的问题。本发明方法将高光谱载荷引入交叉定标，改进了光谱匹配算法，对其他波段的多光谱载荷在轨交叉定标也具有同样的适用性。

Description

一种基于高光谱载荷的多光谱载荷无场地交叉定标方法

技术领域

本发明涉及一种多光谱载荷无场地交叉定标方法，属于定量遥感中的传感器在轨辐射定标领域。

背景技术

在轨辐射定标主要包括星上定标、场地定标和交叉定标。星上定标以高精度的星上定标系统为基础，定标精度最高，是国外传感器定标的主流，以MODIS、Landsat系列卫星为代表。国产卫星的星上定标技术目前还有较大差距。国产卫星在轨定标所依赖的场地定标由于受到耗时、费力等局限性的影响，制约着在轨定标频次和精度的提高。

交叉定标是当前国内外辐射研究的热点之一。以沙漠、植被、极地等不同场景为研究区域的交叉定标被广泛应用于不同载荷。国产卫星通常以具有较高精度的国外载荷作为参考目标，实现绝对辐射校正。但是目前国产卫星的交叉定标存在一定缺陷：目前国产卫星的交叉定标方法以多光谱载荷之间的交叉定标为主，由于不同传感器之间的光谱特性差异明显，由此导致在计算光谱匹配，进而获取等效入瞳辐亮度的过程中会引入明显误差。

发明内容

本发明所解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种基于高光谱载荷的多光谱载荷无场地交叉定标方法，解决了目前在轨辐射定标受限于场地实测数据的问题。

本发明的技术方案是：一种基于高光谱载荷的多光谱载荷无场地交叉定标方法，包括以下步骤：

(1)分别获取高光谱载荷和多光谱载荷在某试验区域的遥感图像，并在两幅遥感图像上选择同一个感兴趣区域，记为第一感兴趣区域；

(2)根据该感兴趣区域的高光谱载荷遥感图像数据得到高光谱载荷各波段的等效入瞳处辐亮度值；根据该感兴趣区域的多光谱载荷遥感图像数据得到多光谱载荷每个波段在感兴趣区域的像素值；

(3)根据高光谱载荷和多光谱载荷各波段的波长范围，确定多光谱载荷的每个波段与高光谱载荷各波段的对应关系；

(4)根据高光谱载荷和多光谱载荷各波段的光谱响应函数，结合热红外光谱仪对该感兴趣区域实测的热红外光谱，计算得到在该感兴趣区域多光谱载荷每个波段相对于高光谱载荷对应波段群的光谱匹配因子；

(5)根据步骤(2)得到的高光谱载荷各波段在该感兴趣区域的等效入瞳处辐亮度值，结合步骤(4)得到的多光谱载荷每个波段相对于高光谱载荷对应波段群的光谱匹配因子，计算得到多光谱载荷每个波段在该感兴趣区域的等效入瞳处辐亮度值；

(6)在步骤(1)得到的两幅遥感图像上同时选择另一个感兴趣区域，记为第二感兴趣区域，重复步骤(2)—(5)，得到多光谱载荷每个波段在另一个感兴趣区域的像素值和等效入瞳处辐亮度值；

(7)根据多光谱载荷每个波段在两个不同感兴趣区域的像素值和等效入瞳处辐亮度值，计算得到多光谱载荷每个波段的辐射定标系数，从而完成多光谱载荷的无场地交叉定标。

所述步骤(4)中，设在某感兴趣区域，多光谱载荷的第i个波段与高光谱载荷第i₁,i₂,…,i_n个波段相对应，则在该感兴趣区域多光谱载荷第i个波段相对于高光谱载荷对应波段群的光谱匹配因子的计算方式为：

(2.1)根据多光谱载荷第i个波段的光谱响应函数，结合热红外光谱仪对该感兴趣区域实测的热红外光谱，利用公式

$L_{\mathrm{Bi}}=\frac{\∫L_M\left(\mathrm{\λ}\right)f_B\left(\mathrm{\λ}\right)\mathrm{d\λ}}{\∫f_B\left(\mathrm{\λ}\right)\mathrm{d\λ}}$

计算得到多光谱载荷的第i个波段在该感兴趣区域的模拟入瞳处辐亮度值L_Bi；

其中f_B(λ)为多光谱载荷第i个波段的光谱响应函数，L_M(λ)为热红外光谱仪实测的第i个波段在该感兴趣区域的热红外光谱，λ为第i个波段中的波长；

(2.2)根据高光谱载荷第i₁,i₂,…,i_n个波段的光谱响应函数，结合热红外光谱仪对该感兴趣区域实测的热红外光谱，利用公式

$L_A\left({\mathrm{\λ}}_{\mathrm{im}}\right)=\frac{\∫L_M\left({\mathrm{\λ}}_{\mathrm{im}}\right)f_A\left({\mathrm{\λ}}_{\mathrm{im}}\right)d\left({\mathrm{\λ}}_{\mathrm{im}}\right)}{\∫f_A\left({\mathrm{\λ}}_{\mathrm{im}}\right)d\left({\mathrm{\λ}}_{\mathrm{im}}\right)}$

$L_{\mathrm{Ai}}=\underset{m=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{L}_A\left({\mathrm{\λ}}_{\mathrm{im}}\right)$

计算得到高光谱载荷第i₁,i₂,…,i_n个波段组成的波段群在该感兴趣区域的模拟入瞳处辐亮度值L_Ai；

其中L_A(λ_im)为高光谱载荷第i_m个波段在该感兴趣区域的模拟入瞳处辐亮度值，f_A(λ_im)为高光谱载荷第i_m个波段的光谱响应函数，L_M(λ_im)为热红外光谱仪实测的第i_m个波段在该感兴趣区域的热红外光谱，λ_im为第i_m个波段中的波长，i∈自然数，n∈自然数；

(2.3)利用公式ρ_i＝L_Bi/L_Ai计算得到多光谱载荷第i个波段相对于高光谱载荷第i₁,i₂,…,i_n个波段组成的波段群的光谱匹配因子ρ_i。

所述步骤(5)中，设在某感兴趣区域多光谱载荷的第i个波段与高光谱载荷第i₁,i₂,…,i_n个波段相对应，则利用公式L_Bi′＝ρ_iL_Ai′得到多光谱载荷第i个波段在该感兴趣区域的等效入瞳处辐亮度值L_Bi′；

其中，ρ_i为多光谱载荷第i个波段相对于高光谱载荷第i₁,i₂,…,i_n个波段组成的波段群的光谱匹配因子，L_Ai′为高光谱载荷第i₁,i₂,…,i_n个波段组成的波段群在该感兴趣区域的等效入瞳处辐亮度值，且L_Ai′满足

${L_{\mathrm{Ai}}}^{\′}=\underset{m=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{L}_{\mathrm{Aim}}$

其中L_Aim为高光谱载荷第i_m个波段在该感兴趣区域的等效入瞳处辐亮度值，i∈自然数，n∈自然数。

多光谱载荷第i个波段在第一感兴趣区域的辐射定标系数g、b满足

g＝(DN₁-b)/L_Bi1′    (1)

多光谱载荷第i个波段在第二感兴趣区域的辐射定标系数g、b满足

g＝(DN₂-b)/L_Bi2′    (2)

根据公式(1)和(2)计算得到多光谱载荷第i个波段的辐射定标系数g和b；

其中，g为增益，单位为DN·W^-1m²·sr·μm，b为偏移，单位为DN，L_Bi1′为多光谱载荷第i个波段在第一感兴趣区域的等效入瞳处辐亮度值，单位为W¹m^-2·sr^-1·μm^-1，DN₁为多光谱载荷第i个波段在第一感兴趣区域的像素值，L_Bi2′为多光谱载荷第i个波段在第二感兴趣区域的等效入瞳辐亮度，DN₁为多光谱载荷第i个波段在第二感兴趣区域的像素值，i∈自然数。

本发明与现有技术相比的技术效果是：

(1)本发明利用具有高辐射定标精度的高光谱数据替代场地实测数据，实现了多光谱载荷的在轨替代定标。

(2)本发明提出的基于高光谱载荷的多光谱载荷无场地交叉定标方法，能够有效提高在轨辐射定标频次，节省大量场地定标所需的人力物力。

(3)本发明将高光谱载荷引入交叉定标，改进了光谱匹配算法，对其他波段的多光谱载荷在轨交叉定标也具有同样的适用性。

附图说明

图1为本发明方法流程图。

具体实施方式

本发明提出一种基于高光谱载荷的多光谱载荷无场地交叉定标方法，具体流程图如图1所示。下面以基于Aqua/AIRS高光谱载荷的HJ-1B/IRS多光谱载荷的热红外通道无场地交叉定标方法为例进行对本发明方法进行介绍。

(1)分别获取Aqua/AIRS高光谱载荷和HJ-1B/IRS多光谱载荷在青海湖试验区域的遥感图像，并在两幅遥感图像上选择同一个感兴趣区域，记为第一感兴趣区域；

(2)根据该感兴趣区域的Aqua/AIRS高光谱载荷遥感图像数据得到Aqua/AIRS高光谱载荷各波段的等效入瞳处辐亮度值，计算公式为：

L_A(λ)＝(DN_A-b_A)/g_A

式中：g_A，b_A为已知Aqua/AIRS高光谱载荷的定标系数，其中g_A为增益，单位DN·W^-1m²·sr·μm，b_A为偏移，单位DN，DN_A为Aqua/AIRS高光谱载荷某波段在该感兴趣区的像素值，L_A(λ)为Aqua/AIRS高谱载荷该波段在该感兴趣区的等效入瞳辐亮度，单位W¹m^-2·sr^-1·μm^-1；

根据该感兴趣区域的多光谱载荷遥感图像数据得到多光谱载荷每个波段在感兴趣区域的像素值；

在2009年9月20日HJ-1B/IRS热红外通道遥感影像中，选择5ˉ5的均匀区域，得到平均像素值DN为413.68。

(3)根据Aqua/AIRS高光谱载荷和HJ-1B/IRS多光谱载荷各波段的起止波长范围，确定HJ-1B/IRS多光谱载荷的每个波段与Aqua/AIRS高光谱载荷各波段的对应关系；

AIRS共有2378个热红外波段，波长范围从3.75-15.4μm，HJ-1B热红外通道包含一个波段，该热红外波段波长范围从9.81-13.33μm，此波长范围内包含了698个AIRS热红外波段，其中有效波段数为679个，即HJ-1B的波段对应679个AIRS波段。

(4)根据Aqua/AIRS高光谱载荷和HJ-1B/IRS多光谱载荷各波段的光谱响应函数，结合热红外光谱仪针对该感兴趣区域实测的热红外光谱，分别计算AIRS和HJ-1B对应波段的模拟等效入瞳处辐亮度，进而计算得到HJ-1B热红外波段相对于AIRS高光谱载荷679个有效波段组成的波段群的光谱匹配因子ρ_i为0.0015。

(5)根据步骤(2)得到的高光谱载荷各波段在该感兴趣区域的等效入瞳处辐亮度值，结合步骤(4)得到的多光谱载荷每个波段相对于高光谱载荷对应波段的光谱匹配因子，计算得到多光谱载荷每个波段在该感兴趣区域的等效入瞳处辐亮度值；

AIRS与HJ-1B热红外波段对应的679个波段组成的波段群的等效入瞳处辐亮度为4718.4W/(m²·sr·μm)，从而得到HJ-1B热红外通道等效入瞳处辐亮度L为7.2334W/(m²·sr·μm)。

(6)在步骤(1)得到的两幅遥感图像上同时选择另一个感兴趣区域，记为第二感兴趣区域，重复步骤(2)—(5)，得到多光谱载荷每个波段在第二感兴趣区域的像素值DN2为168.71和等效入瞳处辐亮度值L2为3.1893W/(m²·sr·μm)；

(7)根据多光谱载荷每个波段在不同感兴趣区域的像素值和等效入瞳处辐亮度值，通过线性拟合得到多光谱载荷每个波段的辐射定标系数，从而完成多光谱载荷的无场地交叉定标。

根据DN和L、DN2和L2两组数据即可进行线性拟合得到定标系数g,b。根据公式g＝(DN-b)/L、g＝(DN2-b)/L2计算得到偏移b为-24.4794，单位DN，g为60.5745，单位DN·W^-1m²·sr·μm。

该方法利用具有高辐射定标精度的高光谱数据替代场地实测数据，实现了国产多光谱载荷的在轨替代定标，能够有效提高在轨辐射定标频次，节省大量场地定标所需的人力物力，解决了目前在轨辐射定标受限于场地实测数据的问题。

本发明未详细描述内容为本领域技术人员公知技术。

Claims (4)

1.一种基于高光谱载荷的多光谱载荷无场地交叉定标方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)分别获取高光谱载荷和多光谱载荷在某试验区域的遥感图像，并在两幅遥感图像上选择同一个感兴趣区域，记为第一感兴趣区域；

(2)根据该感兴趣区域的高光谱载荷遥感图像数据得到高光谱载荷各波段的等效入瞳处辐亮度值；根据该感兴趣区域的多光谱载荷遥感图像数据得到多光谱载荷每个波段在感兴趣区域的像素值；

(3)根据高光谱载荷和多光谱载荷各波段的波长范围，确定多光谱载荷的每个波段与高光谱载荷各波段的对应关系；

(4)根据高光谱载荷和多光谱载荷各波段的光谱响应函数，结合热红外光谱仪对该感兴趣区域实测的热红外光谱，计算得到在该感兴趣区域多光谱载荷每个波段相对于高光谱载荷对应波段群的光谱匹配因子；

(5)根据步骤(2)得到的高光谱载荷各波段在该感兴趣区域的等效入瞳处辐亮度值，结合步骤(4)得到的多光谱载荷每个波段相对于高光谱载荷对应波段群的光谱匹配因子，计算得到多光谱载荷每个波段在该感兴趣区域的等效入瞳处辐亮度值；

(6)在步骤(1)得到的两幅遥感图像上同时选择另一个感兴趣区域，记为第二感兴趣区域，重复步骤(2)—(5)，得到多光谱载荷每个波段在另一个感兴趣区域的像素值和等效入瞳处辐亮度值；

(7)根据多光谱载荷每个波段在两个不同感兴趣区域的像素值和等效入瞳处辐亮度值，计算得到多光谱载荷每个波段的辐射定标系数，从而完成多光谱载荷的无场地交叉定标。

2.根据权利要求1所述的一种基于高光谱载荷的多光谱载荷无场地交叉定标方法，其特征在于：所述步骤(4)中，设在某感兴趣区域，多光谱载荷的第i个波段与高光谱载荷第i₁,i₂,…,i_n个波段相对应，则在该感兴趣区域多光谱载荷第i个波段相对于高光谱载荷对应波段群的光谱匹配因子的计算方式为：

(2.1)根据多光谱载荷第i个波段的光谱响应函数，结合热红外光谱仪对该感兴趣区域实测的热红外光谱，利用公式

$L_{\mathrm{Bi}}=\frac{\∫L_M\left(\mathrm{\λ}\right)f_B\left(\mathrm{\λ}\right)\mathrm{d\λ}}{\∫f_B\left(\mathrm{\λ}\right)\mathrm{d\λ}}$

计算得到多光谱载荷的第i个波段在该感兴趣区域的模拟入瞳处辐亮度值L_Bi；

其中f_B(λ)为多光谱载荷第i个波段的光谱响应函数，L_M(λ)为热红外光谱仪实测的第i个波段在该感兴趣区域的热红外光谱，λ为第i个波段中的波长；

(2.2)根据高光谱载荷第i₁,i₂,…,i_n个波段的光谱响应函数，结合热红外光谱仪对该感兴趣区域实测的热红外光谱，利用公式

$L_A\left({\mathrm{\λ}}_{\mathrm{im}}\right)=\frac{\∫L_M\left({\mathrm{\λ}}_{\mathrm{im}}\right)f_A\left({\mathrm{\λ}}_{\mathrm{im}}\right)d\left({\mathrm{\λ}}_{\mathrm{im}}\right)}{\∫f_A\left({\mathrm{\λ}}_{\mathrm{im}}\right)d\left({\mathrm{\λ}}_{\mathrm{im}}\right)}$

$L_{\mathrm{Ai}}=\underset{m=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{L}_A\left({\mathrm{\λ}}_{\mathrm{im}}\right)$

计算得到高光谱载荷第i₁,i₂,…,i_n个波段组成的波段群在该感兴趣区域的模拟入瞳处辐亮度值L_Ai；

其中L_A(λ_im)为高光谱载荷第i_m个波段在该感兴趣区域的模拟入瞳处辐亮度值，f_A(λ_im)为高光谱载荷第i_m个波段的光谱响应函数，L_M(λ_im)为热红外光谱仪实测的第i_m个波段在该感兴趣区域的热红外光谱，λ_im为第i_m个波段中的波长，i∈自然数，n∈自然数；

(2.3)利用公式ρ_i＝L_Bi/L_Ai计算得到多光谱载荷第i个波段相对于高光谱载荷第i₁,i₂,…,i_n个波段组成的波段群的光谱匹配因子ρ_i。

3.根据权利要求1所述的一种基于高光谱载荷的多光谱载荷无场地交叉定标方法，其特征在于：所述步骤(5)中，设在某感兴趣区域多光谱载荷的第i个波段与高光谱载荷第i₁,i₂,…,i_n个波段相对应，则利用公式L_Bi′＝ρ_iL_Ai′得到多光谱载荷第i个波段在该感兴趣区域的等效入瞳处辐亮度值L_Bi′；

其中，ρ_i为多光谱载荷第i个波段相对于高光谱载荷第i₁,i₂,…,i_n个波段组成的波段群的光谱匹配因子，L_Ai′为高光谱载荷第i₁,i₂,…,i_n个波段组成的波段群在该感兴趣区域的等效入瞳处辐亮度值，且L_Ai′满足

${L_{\mathrm{Ai}}}^{\′}=\underset{m=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{L}_{\mathrm{Aim}}$

其中L_Aim为高光谱载荷第i_m个波段在该感兴趣区域的等效入瞳处辐亮度值，i∈自然数，n∈自然数。

4.根据权利要求1所述的一种基于高光谱载荷的多光谱载荷无场地交叉定标方法，其特征在于：所述步骤(7)的实现方式为：

多光谱载荷第i个波段在第一感兴趣区域的辐射定标系数g、b满足

g＝(DN₁-b)/L_Bi1′    (1)

多光谱载荷第i个波段在第二感兴趣区域的辐射定标系数g、b满足

g＝(DN₂-b)/L_Bi2′    (2)

根据公式(1)和(2)计算得到多光谱载荷第i个波段的辐射定标系数g和b；

其中，g为增益，单位为DN·W^-1m²·sr·μm，b为偏移，单位为DN，L_Bi1′为多光谱载荷第i个波段在第一感兴趣区域的等效入瞳处辐亮度值，单位为W¹m^-2·sr^-1·μm^-1，DN₁为多光谱载荷第i个波段在第一感兴趣区域的像素值，L_Bi2′为多光谱载荷第i个波段在第二感兴趣区域的等效入瞳辐亮度，DN₁为多光谱载荷第i个波段在第二感兴趣区域的像素值，i∈自然数。